核心素养视角下物理学史在高中物理教学中的渗透
——以“光的波粒二象性”为例
梁帅，黄国锋，王玉莹
赤峰学院物理与智能制造工程学院，内蒙古赤峰
收稿日期：2023年10月2日；录用日期：2023年11月2日；发布日期：2023年11月9日
摘要
学科核心素养是学生学习标准的具体体现，物理学史作为重要教学资源，将物理学史融入到高中物理教学是培养学生物理学科核心素养发展的有效策略之一。本文以人教版高中物理选择性必修三第四章内容“光的波粒二象性”教学为例，以探寻光的本质为线索，百年前物理学家们对光本质的探究、辩论过程为叶脉，将物理学史内容切实贴合到教学环节中，巧用物理学史培养学生的物理学科核心素养。本文试图探索促进学生深入理解并掌握学习内容的有效途径，希望可以给一线高中物理教学提供参考和借鉴。
关键词
核心素养，物理学史，高中物理，物理教学
ThePenetrationofPhysicsHistoryinHighSchoolPhysicsTeachingfromthePerspectiveofCoreLiteracy
—Takingthe“Wave-ParticleDualityofLight”asanExample
ShuaiLiang,GuofengHuang,YuyingWang
SchoolofPhysicsandIntelligentManufacturingEngineering,ChifengUniversity,ChifengInnerMongolia
Received:Oct.2nd,2023;accepted:Nov.2nd,2023;published:Nov.9th,2023
ABSTRACT
Thecoreliteracyofphysicsistheconcreteembodimentofstudents’learningstandards.Asanimportantteachingresource,integratingthehistoryofphysicsintotheteachingofhighschoolphysicsisoneoftheeffectivestrategiestocultivatethedevelopmentofstudents’coreliteracyofphysics.Thispapertakestheteachingof“Wave-ParticleDualityofLight”inthefourthchapterofthethirdcompulsorycourseofphysicsinseniorhighschoolofPeople’sEducationPressasanexample,takingtheexplorationofthenatureoflightasaclueandtheprocessofphysicists’explorationanddebateonthenatureoflightasaleafveinahundredyearsago,andputsthecontentofphysicshistoryintotheteachinglink,soastoskillfullyusethehistoryofphysicstocultivatestudents’coreliteracyinphysics.Thispapertriestoexploreeffectivewaystopromotestudentstodeeplyunderstandandmasterthelearningcontent,hopingtoprovidereferenceandreferenceforphysicsteachinginfirst-linehighschools.
Keywords:CoreLiteracy,HistoryofPhysics,HighSchoolPhysics,PhysicsTeaching
ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY4.0).
1.引言
物理学史是物理学概念、定律等一系列理论产生、演变、发展的过程，物理学的历史包括了科学家们的竞争、误差、争议和突破。这些元素丰富了物理学的故事，物理学家研究物理的方法有利于形成物理观念、培养科学思维、开展科学探究、树立哲学理念等方面有着良好的促进作用[1]。也向学生们展示了科学是一个具有人性色彩的活动，需要坚持不懈的探索和勇气。
在本论文中，以人教版高中物理选择性必修三第四章内容“光的波粒二象性”教学为例，将物理学的历史融入高中物理教学。通过在教室中引入物理学的历史，我们可以为学生提供更深入的学习体验，帮助他们更好地理解物理学的核心原理，并激发他们对科学的兴趣。通过追溯物理学的历史，帮助学生明白，科学是一项积极的、不断发展的活动，每个人都可以成为其中的一部分，为未来的科学发展贡献力量。
2.课堂融入物理学史遵循的教学原则
2.1.目的性
2.2.实效性
2.3.适应性
学生具有独特性，每一堂课教师都应该结合学情对本节课教学内容进行一定程度的修改。为了适应绝大部分学生，物理学史的选择还要在学生接受能力范围之内。揠苗助长对于学生来说是不现实且违背了学生发展规律。在适当的范围内，对物理学史内容进一步进行筛选删减，控制内容水平在学生够得到的层面。并且可以添加有助于理解的知识补充。
2.4.真实性与准确性
在筛选物理学史内容的过程中必须要遵循知识内容的真实性与准确性。物理学史学习的重要性进一步提升[5]。一方面物理学史是物理产生、发展过程，是公认的历史内容，教师在课堂讲授时不能因为各种原因而对内容有所改编。另一方面作为教师讲授不准确的内容也违背了教学科学性原则。传授知识是教师的基本任务，如果以不确定真实性的物理学史内容进行讲授不如在教学中不进行史实内容的添加。教师言语内容的准确性也关乎到教师权威的树立。由此，内容选择的真实性与准确性在教学中显得尤为重要。
3.高中物理教学环节——以“光的波粒二象性”为例
3.1.确定教学目标
Table1.Teachingobjectivedesign
3.2.教学设计思路
本节课以学生角色扮演、小组讨论以及小型辩论赛的学习形式为主，整体设计教学思路为：提前预设，角色扮演→学生分组，课堂辩论→分析归纳，体会思想→小组讨论，总结交流。
3.3.课前准备
学生通过阅读以及自身原有认知已经对光的本质已经有了一定的了解，但是还不能够完全凭借自学的知识真正理解光的两种不同特性。这该需要教师在课堂上加以引导讲授。
3.4.新课导入
课初，教师向学生展示光的奇妙现象——万花筒和七彩泡泡，并介绍光在医疗、通信、娱乐等领域中的应用。使学生体会光在生活生产中不可或缺的作用。
教师提问“如果没有光我们的世界会发生什么变化？”
学生思考讨论。问题逐渐过渡，“光到底是什么？”教师给出提示，光是振动的波还是传递的粒子？能不能说明为什么。
3.5.活动讨论
3.5.1.课堂辩论
Table2.Divisionofclassdebate
3.5.2.知识补充
教师对当时光本质的普遍认知情况进行知识补充，在牛顿巨大的权威下，人们普遍认为光的本质就是微粒，盲目信奉服从牛顿的思想。从托马斯·杨开始，不惧权威的意识开始在部分人中觉醒。尽管大部分人思想依然没有改变。
人们以为波动学说很完美的时候又出现了波动说解释不了的现象——光电效应。后来人们才逐渐意识到光既具有粒子性，又具有波动性。爱因斯坦也曾表示一种理论解释不了，而两种理论结合之后就可以解释了。教师补充讲解爱因斯坦、赫兹和麦克斯韦在光方面做出的巨大贡献。通过教师演示实验，学生思考光电效应现象发生原因以及发生需要的条件，从科学探究上了解光电效应原理。学生通过光电效应演示仪分组进行演示实验，观察光电效应实验现象，引导学生验证光的粒子性，从科学思维上进一步认识光的本质，从而完成知识从感性到理性的转化。
3.5.3.交流评价
教师举例生活中的光学现象，并提问其中原理。学生通过小组讨论，交流生活中的光现象，利用所学的光学知识对生活中的光现象做出对应猜想，经历知识迁移等过程，在科学探究和科学思维方面对光的粒子性和波动性的应用有更加深层次的了解。各小组进行陈述总结，学生通过总结回顾了解前人们探究光本质的曲折过程，明白科学并非是一蹴而就，并且对于科学的认识是螺旋式上升的过程。
请各组学生针对本组同学辩论时对所扮演物理学家研究经历的介绍是否全面、对结论的介绍是否准确等方面进行评价。教师收集各种评价结果得到反馈，发现学生在辩论活动中的不足与教学盲点，进行总结。
3.5.4.学以致用
在课堂最后环节，将本节课所学知识点以例题的方式串联，及时巩固新学知识点并应用到具体练习中。
【例题1】请将下列涉及到的实验、实验原理、历史人物按照正确组合连线。
光电效应实验菲涅尔
光的双缝干涉实验托马斯·杨波动说
康普顿效应赫兹粒子说
泊松亮斑实验康普顿
【例题2】关于物质的波粒二象性，下列说法中不正确的是()
A.不仅光子具有波粒二象性，一切运动的微粒都具有波粒二象性。
B.运动的微观粒子与光子一样，当它们通过一个小孔时，都没有特定的运动轨道。
C.波动性和粒子性，在宏观现象中是矛盾的、对立的，但在微观高速运动的现象中是统一的。
D.实物的运动有特定的轨道，所以实物不具有波粒二象性。
4.反思与总结
从新课程标准的要求来看，物理学史渗透进高中物理课堂教学的重要性进一步提升。切实落实新课程标准中对于光的波粒二象性的教学建议。同时根据史实教育学生不迷信权威、不畏权威的意识，我们不能片面地认识事物，任何事物都有着两面性，我们需要教育学生辩证客观地看待自然世界。学习目标上学生需要了解到更多物理学史的内容，将物理学史融入高中物理教学，对于学生在模拟情境中理解知识、理清思路、体会思想，具有重要的现实意义。